В МФТИ выяснили, почему с гадолинием ламповый свет теплее

Ученые подтвердили известный вывод, что увеличение содержания добавок позволяет сместить свечение люминофора в длинноволновую часть спектра, а также впервые описали механизм этого эффекта.

2 653

Выбор редакции

Физики из Центра испытаний функциональных материалов МФТИ в сотрудничестве с коллегой из Федеральной политехнической школы в Лозанне изучили зависимость спектра света, излучаемого люминофором – веществом, способным преобразовывать поглощаемую энергию в свет, – от концентрации добавок и размеров частиц самого люминофора. Применяя подход, позволяющий независимо друг от друга исследовать оба фактора, исследователи не только подтвердили известный вывод, что увеличивая содержание добавок, можно сместить свечение люминофора в длинноволновую часть спектра, но и впервые описали механизм этого эффекта и предложили ему объяснение. Результаты, опубликованные в Journal of Luminescence, могут быть использованы при производстве белых светодиодов, спектр света которых будет ближе к солнечному.

 

<img alt=Слайдер

 

Поскольку светодиоды излучают свет с узким диапазоном длин волн (практически одноцветный), чтобы получить белый свет, используют либо несколько светодиодов (красный, зеленый и синий), либо синий светодиод в сочетании с люминофором. Наиболее часто в этом качестве применяется иттрий-алюминиевый гранат с добавлением церия – желтого порошка, способного под воздействием света синего светодиода излучать свет широкого спектра с максимумом в области желтого. Сложение спектров синего светодиода и желтого люминофора воспринимается как белый свет. Кстати, в 2014 году Нобелевская премия по физике была присуждена  ученым Исаму Акасаки (Япония), Хироси Амано (Япония) и Сюдзи Накамуре (США) с формулировкой «за изобретение эффективных синих светоизлучающих диодов, которые позволили создать источники яркого и энергосберегающего белого света».

 

В МФТИ выяснили, почему с гадолинием ламповый свет теплее Рисунок 1: Так выглядит красное яблоко при освещении источниками света с разными индексами цветопередачи (CRI – colour rendering index)

 

Светодиодные лампы яркие, мощные, тратят мало энергии, позволяя экономить на электроэнергии, – и это несомненные плюсы. Но тем не менее многие по старинке предпочитают лампы накаливания – их свет «приятнее». В чем же дело? Оказывается, наши ощущения от света можно «измерить» с помощью индекса цветопередачи – коэффициента, показывающего насколько отличаются цвета предметов при солнечном освещении и при искусственном. Цветопередача источника с показателем 100 полностью соответствует солнечному свету – к таким источникам относят и лампы накаливания, несмотря на то, что синие цвета они передают не очень хорошо. Индекс же цветопередачи светодиодных ламп колеблется от 60 до 90 (рисунок 1).

 

Рисунок 2: Спектры разных источников света

Рисунок 2: Спектры разных источников света

 

По сравнению со спектром дневного света, в свете белых светодиодов мало красного и сине-зеленого, и очень много синего (рисунок 2). Чтобы приблизить светодиодное освещение к естественному, в люминофор добавляют различные дополнительные вещества, стараясь «растянуть» его спектр в красную и синюю стороны. В частности, для этого используют гадолиний. Но внесение добавки оказывает влияние еще и на яркость люминесценции, и на распределение частиц люминофора по размерам, что тоже влияет на спектр и на интенсивность, и в результате достаточно трудно понять, изменение какого параметра дало какой эффект и, как следствие, трудно люминофор эффективно модифицировать.

 

Чтобы изучить влияние каждого фактора в отдельности, ученые использовали четыре синтезированных люминофора с разным содержанием церия и гадолиния, а затем, отстояв суспензии из люминофора в воде, отделили мелкие частички. Так исследователи получили возможность отдельно измерить люминесценцию мелких фракций люминофоров и сравнить их с исходными порошками.

 

У образцов с частицами малых размеров и с частицами разного размера снимали спектры фото- и катодолюминесценции. Оба метода основаны на регистрации света, испускаемого образцом, после внешнего воздействия. В первом случае это воздействие светом (фотонами), во втором – пучком электронов (катодным лучом). Оказалось, что чем больше содержание гадолиния в образце, тем сильнее сдвиг максимума спектра фотолюминесценции в красную область, причем это верно как для образцов с малым размером частиц, так и для содержащих  более крупные.

 

Спектр катодолюминесценции имеет более хитрую структуру – здесь можно выделить три главных пика (рисунок 3). При изменении размеров частиц и концентрации гадолиния положение пиков не меняется, но происходит перераспределение интенсивностей, поэтому в качестве характеристики была взята медианная линия спектра (то есть та, которая разделит его на две части равной площади).


Интересно, что медианные линии для мелких частиц оказались сдвинуты в синюю область спектра для всех образцов, кроме одного. Общая же тенденция сохраняется при всех размерах частиц, и для всех образцов – при увеличении содержания гадолиния в образцах спектр сдвигается в красную область. Причем наиболее заметную роль в этом играет увеличение интенсивности излучения с длиной волны 595 нм.

 

Это заставило ученых искать новое объяснение эффекту – согласно прежним представлениям гадолиний должен влиять не на интенсивность пиков в спектре, а на их положение. Поскольку выраженность эффекта коррелирует с содержанием гадолиния в люминофоре, было сделано предположение, что гадолиний влияет на положение некоторых из восьми ионов кислорода вокруг иона церия. Тогда симметрия поля вокруг церия, обычно близкая к кубической, нарушается, и ранее запрещенный переход электронов между энергетическими уровнями иона церия становится разрешенным, что и ведет к появлению линии 595 нм в спектре. Впрочем, возможны и другие объяснения.

 

«Влияние гадолиния – известный факт, но почему свет благодаря ему становится теплее, изучено недостаточно хорошо, хотя технологии активно пользуются этим. Мы в своем исследовании дали наводку на происхождение эффекта – описали механизм гадолиниевого сдвига спектра излучения, и это описание идет вразрез с принятыми представлениями в этой области», – говорит Степан Лисовский, младший научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов МФТИ.

Физтех
82Статьи
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
2 653

banner
Комментарии
Аватар пользователя Павел Каравдин
1 ч
Вы сменили тему. Я не оцениваю ни Лысенко, ни Вавилова...
1 ч
Лысенко отрицал ген, как единицу наследственной...
2 ч
настолько ущербных исследований я не видел уже очень...

Колумнисты

Физтех
82Статьи
Сколтех
26Статей
Discovery Channel
24Статьи
СО РАН
6Статей
Комментарии

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку